地震映像法和地質(zhì)雷達法在鐵路隧底巖溶探測中的應用

唐宇豪，魏棟華，索 朗，呂 菲，趙思為，馬文德

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司 地勘巖土工程設計研究院，四川 成都 610031；2.川藏鐵路技術創(chuàng)新中心有限公司，四川 成都 610000)

1 引 言

近年來隨著我國鐵路建設的快速發(fā)展，對于列車安全運行的關注度也隨之提升。巖溶是鐵路、高速公路等基礎設施建設的關鍵地質(zhì)隱患，隧道基底隱伏巖溶使列車在隧道內(nèi)的運行存在安全隱患，為了確保隧道內(nèi)的行車安全，對于隧道基底的隱伏巖溶進行排查工作就顯得十分必要[1]。

雷旭友等[2]利用超高密度電阻率法在土洞、采空區(qū)及巖溶中進行探測，取得了較好的效果；其后，趙思為等[3]將S變換引入地震映像資料處理中，在采空區(qū)探測中與超高密度電法資料及鉆探驗證吻合；劉盼等[4]利用音頻大地電磁法、高密度電法、充電法對地下水分布狀態(tài)及巖溶發(fā)育情況進行了詳細探測；黃光明等[5]選用綜合物探方法進行溶洞探測，包括電測深法、高密度電法、微動探測法，并對比總結(jié)了各物探方法探測地下溶洞的有效性；魏棟華等[6]利用魏格納-威爾分布改進方法得到地層高精度瞬時頻率，為低頻巖溶異常區(qū)的探測提供了新思路；楊祥森等[7]，劉振明等[8]，崔德海等[9]利用地震映像法進行隧道巖溶探測，取得了一定的效果；吳怡潔等[10]利用地震映像法和地質(zhì)雷達法應用于城市地質(zhì)勘探中。前人已將各地球物理勘探方法應用于推斷巖溶通道分布形態(tài)、采空區(qū)及含水體探測、巖性界面勘探等各個方面，總結(jié)出許多探測經(jīng)驗，但是準確性仍然有待提高[11]，目前在地震映像法判斷解釋中僅依靠同相軸形態(tài)缺乏統(tǒng)一標準，并且受制于單一地球物理方法的局限性以及隧道施工階段受到的干擾因素較多，因此本文將多種方法有機結(jié)合，各方法形成互補，能夠極大地提高了探測結(jié)果的準確性。

受制于巖溶發(fā)育形態(tài)的多樣性以及隧道內(nèi)施工階段現(xiàn)場影響因素，本文選取地震映像法以及地質(zhì)雷達法對西南山區(qū)某在建鐵路隧道進行地球物理探測，并利用魏格納—威爾分布改進方法獲取高精度地震映像瞬時頻率用以圈定低頻巖溶異常區(qū)。后經(jīng)鉆孔驗證，證明該綜合勘探方法在隧道基底巖溶探測中取得了好的效果，采用上述方法探測鐵路隧道基底隱伏巖溶的思路是可行的。本文通過對兩種方法巖溶探測圖像特征進行研究總結(jié)，為碳酸鹽巖地區(qū)隧道隱伏巖溶探測工作提供了地球物理依據(jù)，也對后續(xù)工作的開展具有積極的指導意義。

2 研究區(qū)地質(zhì)地球物理特征

成昆鐵路復線某隧道沿線屬大渡河峽谷構(gòu)造剝蝕地貌，隧道內(nèi)發(fā)育大型溶洞、突水、巖爆、高地應力大變形、巖堆等不良地質(zhì)體，由于歷次構(gòu)造運動的影響，地質(zhì)情況極其復雜。本次測區(qū)內(nèi)地層為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為N2°—80°E/11°—25°SE，陡傾節(jié)理發(fā)育，主要為N60°—85°E/90°，N5°—25°W/90°，未見斷層及褶皺構(gòu)造發(fā)育。研究區(qū)隧道洞身穿過二疊系下統(tǒng)棲霞組—茅口組(P1q+m)灰?guī)r，且大里程方向約350 m處為巖層分界面，上覆巖層為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖，地層間為噴出不整合接觸。根據(jù)隧道開挖資料揭示，測區(qū)段掌子面開挖巖溶較為發(fā)育。

研究區(qū)地質(zhì)、構(gòu)造與巖溶發(fā)育情況等方面的基礎資料提供了豐富直觀的構(gòu)造證據(jù)，對于深入認識測區(qū)隧道基底隱伏巖溶發(fā)育情況具有重要的地質(zhì)意義。

研究區(qū)隧道基底為混凝土填充，下伏基巖為灰?guī)r，溶洞內(nèi)充填物一般為水、空氣及黏土，各物質(zhì)地球物理參數(shù)如表1所示[10]。

表1 研究區(qū)各物質(zhì)地球物理參數(shù)

由表1可見，巖溶發(fā)育地段與相鄰完整基巖介質(zhì)有著較明顯的波阻抗及介電常數(shù)差異，因此，探測區(qū)域內(nèi)溶洞與圍巖存在著相對顯著的物理性質(zhì)差異，從而利用波速差異的地震映像法和介電常數(shù)差異的地質(zhì)雷達法在異常位置均能得到較大差異輸出，為地震映像法和地質(zhì)雷達法進行隧道隱伏巖溶探測提供了物性基礎。

3 方法原理

3.1 地震映像法

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術發(fā)展而來的一種常用的地球物理勘探方法。利用該方法進行采集數(shù)據(jù)時，使用相同的偏移距、單點激發(fā)、單道檢波器進行接收，儀器記錄后同時按預定的點距向前移動激發(fā)點和接收點，重復上述過程，便可獲得一條地震映像的時間剖面圖。由于每個記錄采用了相同的偏移距，地震記錄上的時間變化主要為地下地質(zhì)異常體的反映，拼接起來的地震時間剖面圖直觀地反映了地下異常體的形態(tài)和特征，這給后續(xù)資料處理工作帶來極大的方便，可直接對資料進行部分數(shù)字分析，如頻譜分析、時頻分析等。

3.2 魏格納—威爾分布的改進算法

獲取同一偏移距地震映像時間剖面后，采用魏格納—威爾分布改進算法[6]計算高精度瞬時頻率，其特點是采用最大熵法對魏格納—威爾分布算法核函數(shù)進行改進，通過預測手段避免該核函數(shù)中的交叉項，因此相比傳統(tǒng)方法能得到更長的魏格納—威爾分布算法核函數(shù)序列，從而得到高分辨率的時頻譜。其計算公式如下：

(1)

(2)

其中,z(t)是原始信號x(t)的解析信號;z*(t)是信號z(t)的共軛復數(shù)。

與完整圍巖相比，地震波經(jīng)過巖溶位置時高頻成分快速衰減，整體表現(xiàn)為低頻特性，因此利用巖溶與圍巖頻率差異的魏格納—威爾分布改進算法能較為準確地圈定巖溶異常分布范圍。

3.3 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是基于地下介質(zhì)的電導率(σ)、介電常數(shù)(ε)等電性參數(shù)的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射探測目標體及地質(zhì)現(xiàn)象的一種物探手段。采用地質(zhì)雷達法對隧道基底進行探測時，由發(fā)射天線(T)向隧底的巖層發(fā)射高頻電磁波(主頻為100 MHz)，當電磁波傳至兩種不同介質(zhì)的分界面，如斷層、巖溶洞穴和巖層界面等時，由于兩種介質(zhì)的電性存在差異而使電磁波在界面處會發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象。入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底被接收天線(R)接收，如圖1所示。

4 實測資料分析

4.1 測線布置

利用地震映像法及地質(zhì)雷達法對該鐵路隧道研究區(qū)基底進行探測。在雙線鐵路隧道左右軌道中心線、隧底中心線布置三條測線，由于隧底中央為排水溝無法施測，因此將中線偏左移至水溝左側(cè)，如圖2所示。因此，在研究區(qū)樁號020～150段線路布置三條測線，長度為130 m。通過上述三條測線的布置，可得到研究區(qū)巖溶異常分布范圍及空間展布。

4.2 參數(shù)選取

地震映像法采用多偏移距聯(lián)合勘探，本次工作中選取單點激發(fā)、3道接收、炮檢距分別為2 m、 4 m及10 m的觀測系統(tǒng)。在室內(nèi)進行共偏移距數(shù)據(jù)處理后，可得到3個不同偏移距的地震映像剖面。地震映像法為多波列地震勘探，反射波、面波等均可作為識別巖溶的有效波。本次數(shù)據(jù)采集選擇固有頻率為10 Hz的高性能檢波器，通頻帶為10～800 Hz。激發(fā)震源為7.5 kg力棒加尼龍頭，減少了聲波干擾，記錄采樣間隔為0.125 ms，采樣長度100 ms。地質(zhì)雷達法進行探測時，選取中心頻率為100 MHz屏蔽天線，記錄時窗選擇600 ns，并且在數(shù)據(jù)采集時，天線保持勻速移動，與儀器的掃描率相匹配。

4.3 資料對比分析

圖3為研究區(qū)右測線(右軌道中心)綜合成果圖。其中圖3(a)及圖3(b)分別為偏移距4 m、10 m時所得到的地震映像時間剖面，圖3(c)、圖3(d)分別為4 m及10 m偏移距下利用魏格納-威爾分布改進算法提取地震映像時間剖面的高精度瞬時頻率，圖3(e)為該測線雷達剖面。由圖3(c)、圖3(d)兩個偏移距的瞬時頻率圖中均能明顯看出，樁號030～040段反射波主頻急劇降低，瞬時頻率圖中呈現(xiàn)出明顯垂向條帶狀低頻異常，表明該段隧底基巖完整性發(fā)生變化，由于溶洞對于地震波有很強的吸收和頻散作用，地層頻率的急劇降低正是該段地層破碎、隧底充填溶洞的反映。對應地震映像時間剖面中，同樣可見在樁號030～040段反射波同相軸出現(xiàn)明顯下凹特征，反射波波阻變得不規(guī)則、紊亂,甚至產(chǎn)生畸變，地震映像時間剖面同樣也反映出隧底巖溶發(fā)育,致使原有地層遭受破壞。并且在雷達圖像中，樁號035附近出現(xiàn)明顯繞射波特征，繞射波頂點位于樁號035位置，埋深約為2 m。由此可見，右測線地震映像時間剖面、高精度瞬時頻率剖面以及雷達剖面三者均揭示在樁號035處隧道基底下存在溶洞異常反映，且雷達剖面在一定深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出強反射信號，推測溶洞內(nèi)充填水或含水黏土。

圖3 右測線綜合探測結(jié)果Fig.3 Comprehensive detection result of right survey line

同樣，在圖4、圖5所示的中測線及左測線探測結(jié)果中，圖4(a)和圖5(a)所示的偏移距10 m時地震映像時間剖面、圖4(b)和圖5(b)所示的高精度瞬時頻率與圖4(c)與圖5(c)地質(zhì)雷達剖面均揭示在樁號035隧底同樣呈現(xiàn)出溶洞異常反映，與右測線物探結(jié)果一致。由左、中、右三條測線物探資料均揭示出溶洞異常反映，表明該處溶洞呈現(xiàn)垂直隧道走向發(fā)育。

圖4 中測線綜合探測結(jié)果Fig.4 Comprehensive detection result of middle survey line

圖5 左測線綜合探測結(jié)果Fig.5 Comprehensive detection result of left survey line

為驗證本文所使用的物探方法的準確性，本文在樁號035右軌道中心物探異常位置，布置驗證鉆孔，鉆孔資料巖芯照片如圖6所示。從鉆孔取芯結(jié)果上可知，在1.9～8.2 m深度孔段揭示巖溶，溶洞內(nèi)充填粉質(zhì)黏土，且溶洞底板處灰?guī)r較為破碎，由此可見該處溶洞存在繼續(xù)向下侵蝕的可能，鉆探結(jié)果顯示與物探結(jié)果一致。

圖6 右測線樁號035位置鉆孔巖芯照片F(xiàn)ig.6 Core photo of drill hole at position 035 on the right survey line

5 結(jié) 語

通過在隧道基底布置三條測線，采用地震映像法和地質(zhì)雷達法進行勘探，并利用地震映像法高精度瞬時頻率屬性進行剖面聯(lián)合解釋，鄰近平行測線之間探測結(jié)果也可進行相互印證，同時，多測線成果也為溶洞異常平面分布提供了依據(jù)。本文基于地震映像法和地質(zhì)雷達法得到的物探剖面，結(jié)合高精度時頻資料綜合分析、判斷解釋溶洞異常位置與空間展布，與鉆孔結(jié)果對比亦吻合較好，證明了基于地震映像法、地質(zhì)雷達法及高精度時頻分析技術識別隧道基底巖溶的有效性，以該探測成果來圈定碳酸鹽巖地區(qū)隧底巖溶分布狀況并指導鉆孔布置，達到精確治理隧道地質(zhì)隱患的目的，為隧道巖溶物探技術的應用提供了新的思路，極大地提升了隧道隱伏巖溶治理的速度及準確度。